数值模拟法优化最大叶片式桨结构尺寸的研究

论文摘要

高粘流体在搅拌釜内的流动过程十分复杂,现有的实验研究方法难以细致描述釜内的流场。目前,搅拌桨的优化主要依靠经验和实验,缺少理论指导,但实验方法不仅需要花费大量的人力物力,而且周期往往很长。计算流体力学(CFD)是一门用于分析流体流动、传热等现象的学科,CFD能够给出搅拌釜内的总体流动状况和局部详尽信息。将其应用到搅拌桨的优化中,可以节省大量的人力物力,大大提高效率。本文采用CFD数值模拟的方法,研究了各种结构参数对最大叶片式桨混合性能的影响,工作介质选用具有典型生物介质特性的黄原胶溶液,对该桨的结构尺寸进行了优化,以期进一步改善其混合性能。数值模拟中采用多重参考系法(MRF)处理动静区域的交互作用关系,湍流模型选用SST模型,多相流模型则采用Mixture模型。探讨最大叶片式桨的直径、高度、开孔率以及底翼宽度对其混合性能的影响。结果表明:桨径、桨高和开孔率对其混合性能的影响均比较大,而底翼宽度则对其混合性能基本没有影响。在一定范围内,增大桨径、增大桨高或减小开孔率均可以有效地减小死区体积和提高搅拌桨载气性能。通过对比分析搅拌釜内气液两相混合过程的宏观流动场、速度分布、死区分布、剪切速率和表观粘度分布以及气含率分布情况,对最大叶片式桨进行了结构尺寸的优化,得到了较佳的结构尺寸组合。本文成功地利用CFD数值模拟的方法对最大叶片式桨结构尺寸进行了优化。由此可见,CFD技术优化高粘体系中搅拌桨的方法是可行的,这对搅拌混合设备的设计、放大和优化具有十分重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 文献综述
• 1.1 研究意义
• 1.2 非牛顿体系中搅拌釜内的混合研究
• 1.3 CFD 技术及其在搅拌中的应用
• 1.3.1 CFD 简介
• 1.3.2 CFD 技术在搅拌釜中的应用
• 1.3.3 CFD 技术在搅拌釜结构优化中的应用
• 1.4 课题来源及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究内容
• 2 黄原胶体系最大叶片式桨搅拌釜内气液两相流的数值模拟
• 2.1 黄原胶溶液物理性质的实验研究
• 2.1.1 黄原胶溶液流变学性质的实验研究
• 2.1.2 黄原胶溶液密度的测定
• 2.2 搅拌釜及最大叶片式桨的结构
• 2.3 模拟工况
• 2.4 数学模型
• 2.4.1 基本控制方程组
• 2.4.2 湍流模型
• 2.4.3 非牛顿流体本构方程
• 2.4.4 气液两相模型
• 2.5 模拟策略
• 2.5.1 网格划分
• 2.5.2 边界条件
• 2.5.3 具体模拟方法
• 3 桨径对最大叶片式桨性能的影响
• 3.1 结果分析方法
• 3.2 宏观流动场及速度分布
• 3.3 死区分布
• 3.4 剪切速率及表观粘度分布
• 3.5 气含率
• 3.5.1 总体气含率
• 3.5.2 局部气含率
• 3.6 小结
• 4 桨高对最大叶片式桨性能的影响
• 4.1 宏观流动场及速度分布
• 4.2 死区分布
• 4.3 剪切速率及表观粘度分布
• 4.4 气含率
• 4.4.1 总体气含率
• 4.4.2 局部气含率
• 4.5 小结
• 5 开孔率对最大叶片式桨性能的影响
• 5.1 宏观流动场及速度分布
• 5.2 死区分布
• 5.3 剪切速率及表观粘度分布
• 5.4 气含率
• 5.4.1 总体气含率
• 5.4.2 局部气含率
• 5.5 小结
• 6 底翼宽度对最大叶片式桨性能的影响
• 6.1 宏观流动场及速度分布
• 6.2 死区分布
• 6.3 剪切速率及表观粘度分布
• 6.4 气含率
• 6.4.1 总体气含率
• 6.4.2 局部气含率
• 6.5 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录1 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 附录2 1.0wt%浓度黄原胶水溶液流变学数据